网络层
前言
上一篇我们彻底吃透了 五层模型、应用层序列化、DNS、MAC、ARP、MTU 与帧转发。
数据链路层解决的是局域网内、相邻节点的数据交付。
但互联网是跨网段、跨城市、跨运营商的大规模通信，这就需要 网络层 来统一管控路径寻址与数据包转发。
本篇作为计算机网络核心重难点，全覆盖后端面试高频考点：
IP 报文结构、IP 地址分类、特殊 IP、子网掩码与网段划分、路由转发机制、NAT 内网穿透。
彻底打通「局域网通信 → 全网通信」的底层逻辑，为后续 TCP 三次握手 / 四次挥手、网络并发问题铺垫底层能力。
网络层核心作用
网络层两大核心功能：地址管理+路由选择。
- 地址管理：制定一系列规则，通过地址描述一个设备在网络上的位置。
- 路由选择：网络环境比较复杂，从一个节点到另一个节点之间，存在很多条不同的路径，就需要通过这种方式，规划出更合适的路径进行传输。
网络层核心协议：IP协议（IPv4）。
IP协议
数据包报文结构=头部+数据载荷（传输层报文）
关键字段
- 4位版本：IPv4；6位版本：IPv6。
- 4位首部长度：IP协议的报头是变长的，最小20字节，最大60字节。
- 8位服务类型（TOS）：能够让IP协议切换形态。
3位优先权字段（已弃用）、4位TOS字段、1位保留字段（必须置为0）。
对于4位TOS字段：这四位之间彼此冲突，只有一位能设置为1，不同位设为1，表示IP协议不同形态。四种形态为最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。- 16位总长度（字节数）：描述了IP数据包最长为多少。
IP协议存在上限，但IP协议自身支持"拆包组包"功能。- 16位标识：如果一个大的IP数据包被拆分成了多个小包，这些小包的16位标识是相同的数值。
3位标志：3位中有一位表示是否允许拆包，有一位表示是否是最后一个包。
13位片偏移：描述当前每个小的数据包（分片）相对位置。
通过以上三个属性，来支持IP协议的拆包组包。- 8位生存时间（TTL）：描述了这个IP数据包在网络上还能存活多久。
TTL的单位是次数。每经过一次路由器，TTL-1；当TTL=0时直接丢弃数据包，防止数据包无限换路转发。- 8位协议：标识上层传输层协议。即描述了IP数据包的载荷部分是一个UDP数据包还是TCP数据包。
- 16位首部校验和：只校验IP首部。
关于IP数据包的载荷部分，TCP/UDP的数据本身有校验和。- 32位源IP地址、32位目的IP地址：IP地址是一串32位整数，采用点分十进制。
地址管理
IP地址，是一串32位整数，大概有42亿多个，但全球这么多人，每个人都上网，IP地址肯定不够用，那要如何解决IP地址不够用呢？
下面有三种方式解决上述问题。
动态分配IP
动态分配IP，就是在设备连上网络时，临时给它分配一个IP，用完回收。
该方法提高了IP地址的利用率，未增加IP地址的数目。
NAT机制
NAT机制（网络地址转换）：让多个内网设备共享一个公网IP上网。
IP分为内网IP（局域网IP）、外网IP（广域网IP）。
原则：
- 在同一个局域网内部，内网IP之间，不能重复。
- 在不同的局域网中，内网IP之间，可以重复。
- 外网IP始终不允许重复，务必是唯一的。
NAT工作机制：
运营商路由器内部会记录一个映射关系（对源IP的替换，当响应报文回来时，还要对响应报文的源IP替换回去）。
去程：不改目的 IP，只改源 IP；
回程：不改源 IP，只改目的 IP。
当服务器返回数据之后，路由器如何决定这个数据要交给哪个设备？
结合端口号。端口号可以区分同一主机不同进程，也可以区分不同主机不同进程。
也有可能会出现两个设备同时访问同一个外网IP，并且端口号相同的情况：
正是NAT机制，使得局域网内部设备能主动访问外网设备，外网设备无法主动访问局域网内部设备。
路由器转发原理
交换机 vs 路由器
- 交换机（二层设备）：
（1）工作在数据链路层
（2）根据 MAC 地址 转发
（3）只能同网段通信- 路由器（三层设备）
（1）工作在网络层
（2）根据 IP 地址 + 路由表 转发
（3）实现跨网段、全网通信
路由表核心字段：
- 路由器每一条路由规则：目标网段 + 下一跳地址
- 转发逻辑：
（1）收到 IP 数据包
（3）匹配目标 IP 所属网段
（3）找到对应下一跳
（4）改写 MAC 地址，继续转发
路由最大特点：
全程源 IP、目的 IP 不变；每一跳 MAC 地址不断刷新
IPv6
IPv6：使用16个字节来表示IP地址，从根本上解决问题，大幅度提升IP地址个数。
最大问题：与IPv4不兼容。
网段划分
- 网段划分把一个IP地址分为两部分：网络号（标识局域网）、主机号（标识局域网中的一个设备）。
- 原则：同一个局域网中的设备，网络号必须相同，主机号必须不同；两个相邻的局域网（通过一个路由器连接的两个局域网），网络号不能相同。
那么如何区分一个IP地址哪一部分是网络号，哪一部分是主机号？
利用子网掩码。
子网掩码
子网掩码用来确定网络号。
特点：左侧都是1，右侧都是0，不会1,0交替出现；32位整数，被标记为1的部分就是网络号。
示例：
- IPv4地址：192.168.100.176
- 子网掩码：255.255.255.0
网络号就是192.168.100
特殊IP地址：
- 若一个IP地址，主机号全0，当前这个IP就表示"网络号"。代表一个局域网，不能分配给一个具体主机。
- 若一个IP地址，主机号全1，就是广播地址，不能分配给一个具体主机。
UDP Socket给这个地址发送UDP数据报，此时局域网中所有设备，都能收到这个数据报。而TCP无法与这个地址建立连接。
3.若一个IP是127开头，就是环回IP（loopback）。
环回IP用于进行测试性工作，能排除网络不通干扰因素。
路由选择
- 路由选择描述了 IP 协议（IP 数据报）转发过程。
- 进行 IP 数据报转发时，每个路由器都无法知道网络的全貌，只知道一些局部信息（哪些设备和自己相连），这就意味着 IP 数据在转发过程中是一个 "探索式" 过程 → 较优解。
- 一个网络层的数据报，每到达一个路由器，进行 "问路" 过程。
- 每个路由器内部都有一个数据结构 "路由表"，根据数据报中的目的 IP 查路由表：
（1）若查到了，就直接按照路由表给定的方向（从哪个网络接口进行转发），继续转发；
（2）若没查到，就直接路由表中有一个 "默认的表项"（下一跳地址），按照默认的表项转发。
总结
本文讲解计算机网络网络层核心知识，解决跨网段全网通信问题，核心依托 IPv4 协议，分为两大功能：地址管理、路由选择。
- IP 报文头部定义各类控制字段，支持分片重组、TTL 防环路、区分 TCP/UDP 上层协议。
- 针对 IPv4 地址短缺，三种解决方案：DHCP 动态分配、NAT 内网共享公网 IP、128 位 IPv6。其中 NAT 上行只改源 IP、回程只改目的 IP，靠端口区分内网设备，隔离外网主动访问。
- 交换机基于 MAC 仅内网互通；路由器依靠 IP + 路由表跨网段转发，传输全程源 / 目的 IP 不变，仅 MAC 不断刷新。
- IP 由网络号 + 主机号组成，子网掩码划分网段；网段标识、广播地址、127 环回地址为三类特殊 IP，不可分配主机。
- 路由转发依靠路由表查表，路由器仅存储局部网络信息，逐跳查表转发，无匹配网段时走默认路由。
后续会持续更新相关内容。
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